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Die Atmosphäre schwingt wie eine Glocke

Resonanzeffekte überziehen die Erde mit einem regelmäßigen Muster von Wellenspitzen

Atmosphäre
Die Atmosphäre der Erde ist von einem regelmäßigen Muster unhörbarer Schwingungen durchzogen – sie ähneln den Schwingungen einer Glocke. © studio023/ iStock

Sphärenmusik: Die Atmosphäre unseres Planeten ist von einem verblüffend regelmäßigen Muster unsichtbarer Wellen durchzogen. Der gesamte Luftraum schwingt dadurch wie eine Glocke – in Grundtönen und ihren Resonanzen. Diese jetzt mithilfe von Langzeit-Messdaten erstmals enthüllten Resonanzmuster bestätigen eine gut 200 Jahre alte Vorhersage des Mathematikers Simon Laplace und geben neue Einblicke in atmosphärische Prozesse.

Ob der Tag-Nacht-Wechsel, der Takt der Gezeiten oder die kürzeren Schwingungen bei Luftdruck und Wetter: Die Atmosphäre unseres Planeten ist von unzähligen Schwingungen und Zyklen geprägt. So prägen die Rossby-Wellen den Jetstream und die Zugbahnen der Hoch- und Tiefdruckgebiete, Schwerewellen formen Wolken und werden ihrerseits durch schwingende Eisflächen erzeugt.

Resonanzen in der irdischen Lufthülle

Doch bisher sind nur die beiden Extreme solcher Wellenphänomene erforscht: die kurzen, für unser Wetter wichtigen Schwingungen und die weltumspannenden Wellen mit Frequenzen von mehreren Tagen und einigen tausend Kilometern Wellenlänge. Dazwischen jedoch gibt es einen Bereich, für den schon der französische Mathematiker Simon Laplace vor gut 200 Jahren faszinierende Resonanzeffekte vorhersagte.

Dieser klassischen Theorie nach müssten die unter anderem vom Tag-Nacht-Wechsel und den Gezeiten verursachten zyklischen Schwingungen in der Atmosphäre eine ganze Reihe von Überlagerungen erfahren. Diese müssten, so die Vorhersage, zu einem Muster von regelmäßigen Oszillationen und Resonanzschwingungen führen.

Suche nach Belegen

Der konkrete Nachweis dieser Resonanzmuster erwies sich jedoch als schwierig. „Die Belege für diese theoretisch vorhergesagten Modi suchen Forscher seit mehr als einem halben Jahrhundert“, erklären Takatoshi Sakazaki von der Universität Kyoto und Kevin Hamilton von der Universität von Hawaii in Manoa. Zwar wurden zyklische Wellen von mehreren Tagen Länge nachgewiesen und auch ein erster Hinweis auf einen sich wiederholenden Luftdruck-Peak bei 33 Stunden. Das gesamte Muster aber blieb verborgen.

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Deshalb haben die Forscher nun einen 38 Jahre umfassenden Datensatz des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen ausgewertet, der den Zustand der globalen Atmosphäre im Stundentakt widerspiegelt. In diesen Langzeitdaten suchten sie gezielt nach Hinweisen auf Wellenmuster im Frequenzbereich von zwei Stunden bis zwei Tagen und einer horizontalen Wellenlänge von mehr als 5.000 Kilometern.

Resonanzen
Die Resonanzschwingungen bilden ein verblüffend regelmäßiges Schachbrettmuster. © Sakazaki und Hamilton / J. Atm. Sci. 2020

Verblüffend regelmäßiges Schwingungsmuster

Die Analysen enthüllten: „Auf dem Hintergrundspektrum tritt eine erstaunliche Zahl von klar erkennbaren isolierten Peaks hervor“, berichten Sakazaki und Hamilton. Diese Knotenpunkte atmosphärischer Wellen bilden ein verblüffend regelmäßiges Gitter, wenn man die Frequenz über die zonale Wellenzahl aufträgt. Es ähnelt ein wenig einem erdüberspannenden Schachbrett. Erzeugt werden sie von Druckwellen und ihren Resonanzeffekten, die sich mit mehr als 1.000 Kilometern pro Stunde um den Globus bewegen.

„Das Muster dieser Wellenpeaks zeugen von einer systematischen Verteilung der Frequenzen, die an die Töne im Spektrum eines vibrierenden Musikinstruments erinnern“, sagen die Forscher. „Ihre regelmäßige Verteilung ist wirklich bemerkenswert.“ Ähnlich wie eine Glocke nicht nur in ihrem Grundton schwingt, sondern viele höhere Resonanzschwingungen erzeugt, schwingt auch die Atmosphäre der Erde.

„Sie schwingt wie eine Glocke“

„Das Auftreten so vieler Modi in den Messdaten belegt, dass die Atmosphäre tatsächlich wie eine Glocke schwingt“, sagt Hamilton. Auch wenn diese „himmlische Musik“ für uns nicht hörbar ist, folgt sie den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie die Schallwellen der musikalischen Klänge. Und ähnlich wie bei den Obertönen der Musik führen Überlagerungen und Resonanzeffekte dieser Schwingungen dazu, dass sie sich an bestimmten Stellen und in bestimmten Frequenzen gegenseitig verstärken.

„Es ist aufregend, die Vision von Laplace und anderen Pionieren der Physik nach 200 Jahren so vollständig bestätigen zu können“, sagt Sakazaki. „Im untersuchten Bereich haben wir das komplette Spektrum der vorhergesagten Modi gefunden.“ Demnach umfassen diese Schwingungen eine vertikale Höhe von zehn Kilometern und verlaufen sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch zum Äquator.

Neue Ansatzpunkte für die Forschung

Wie die Forscher erklären, bestätigen ihre Ergebnisse aber nicht nur die alten Vorhersagen, sie eröffnen auch neue Chancen für die Atmosphärenforschung. Denn die Kenntnis dieser Resonanzeffekte kann dabei helfen zu verstehen, welche Prozesse diese Schwingungen antreiben und auch dämpfen. (Journal of Atmospheric Sciences, 2020; doi: 10.1175/JAS-D-20-0053.1

Quelle: University of Hawaii at Manoa

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